Экспериментально-расчетный метод определения резонансных частот и форм колебаний деталей типа дисков с применением голографической интерферометрии

Размещено на http://www.allbest.ru/

На правах рукописи

01.02.04 - Механика деформируемого твердого тела;

05.02.02 - Машиноведение, системы приводов и детали машин

Автореферат диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНО-РАСЧЕТНЫЙ МЕТОД ОПРЕДЕЛЕНИЯ РЕЗОНАНСНЫХ ЧАСТОТ И ФОРМ КОЛЕБАНИЙ ДЕТАЛЕЙ ТИПА ДИСКОВ С ПРИМЕНЕНИЕМ ГОЛОГРАФИЧЕСКОЙ ИНТЕРФЕРОМЕТРИИ

ЦАРЕВА Альбина Маратовна

Казань - 2007



Работа выполнена в Казанском государственном техническом университете им. А.Н. Туполева на кафедре «Техническая физика»

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Каримов Альберт Хамзович

Научный консультант: кандидат технических наук, доцент Макаева Розалия Хабибулловна

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор, академик АНТ Коноплев Юрий Геннадьевич;

кандидат технических наук Закиев Фарит Кавиевич

Ведущая организация: ОАО «Казанькомпрессормаш»

Защита состоится « 16 » _апреля_ 2007 г. в 15 часов на заседании диссертационного совета Д 212.079.05 при Казанском государственном техническом университете им. А.Н. Туполева по адресу: 420111, г. Казань, ул. К. Маркса, 10. (E-mail: kai@kstu-kai.ru)

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Казанского государственного технического университета им. А.Н. Туполева

С авторефератом можно ознакомиться на сайте: www.kai.ru.

Автореферат разослан « 14 »_марта_ 2007 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Снигирев В.Ф.



ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Многие изделия машиностроения имеют вращающиеся роторы. К таким изделиям относятся газотурбинные двигатели, центробежные и осевые компрессоры, диспергаторы.

Вращающиеся элементы конструкций обычно работают при значительных оборотах и, соответственно, при больших динамических нагрузках. Возникающие вибрации усложняют условия работы, снижают прочностные характеристики изделий и являются основной причиной повреждений и аварий.

В общем объеме прочностных задач вопросы обеспечения работоспособности, надежности при динамических нагрузках являются наиболее сложными и трудоемкими. Эти обстоятельства повышают роль экспериментальных и теоретических исследований вибрационных характеристик и напряженно-деформированного состояния вращающихся элементов.

В процессе создания конструкций, работающих в условиях вибрационных нагрузок, актуальной проблемой является определение их резонансных частот и форм колебаний. При исследованиях применяются теоретические и экспериментальные методы.

Вибрационные характеристики рабочих колес, дисков в инженерной практике, в основном, рассчитываются численными методами.

В экспериментальной механике для исследования вибраций объектов применяются когерентно-оптические методы, основанные на использовании когерентного лазерного излучения. Наибольшее распространение из них получили методы голографической интерферометрии.

Цель работы. Повышение эксплуатационных характеристик деталей типа дисков, рабочих колес по результатам исследования резонансных частот и форм колебаний экспериментально-расчетным методом с применением голографической интерферометрии.

Задачи исследований:

1. Разработать установку для исследования резонансных частот и форм колебаний деталей методом голографической интерферометрии.

2. Исследовать резонансные частоты и формы колебаний дисков постоянной толщины, последовательности их появления, особенности возникновения кратных форм, влияние способов возбуждения колебаний, размеров и материала дисков.

3. По результатам экспериментальных исследований рассчитать частотные коэффициенты для различных форм колебаний дисков.

4. Определить собственные частоты, формы колебаний дисков постоянной толщины и последовательность их появления численным методом конечных элементов с применением программного комплекса ANSYS. резонансный колебание голографический интерферометрия

5. Обосновать экспериментально-расчетный метод определения резонансных частот и форм колебаний дисков, сочетающий метод голографической интерферометрии и метод конечных элементов, реализованный в программном комплексе ANSYS.

6. Применить методы голографической интерферометрии и экспериментально-расчетный для исследования и повышения эксплуатационных характеристик реальных рабочих колес и дисков.

Автор защищает:

1. Созданную установку для исследования резонансных частот и форм колебаний объектов методом голографической интерферометрии.

2. Результаты исследований резонансных частот и форм колебаний дисков методом голографической интерферометрии.

3. Результаты исследований собственных частот и форм колебаний объектов методом конечных элементов с применением программного комплекса ANSYS.

4. Экспериментально-расчетный метод определения резонансных частот, форм колебаний деталей типа дисков.

5. Результаты практического использования материалов исследования.

Научная новизна:

1. Разработанная установка для исследования резонансных частот и форм колебаний методом голографической интерферометрии позволяет реализовать различные способы возбуждения колебаний объектов и проводить компьютерную регистрацию и обработку результатов.

2. Методом голографической интерферометрии впервые получена полная s - n : 5 Ч 5 таблица резонансных форм колебаний диска постоянной толщины.

3. Экспериментально уточнена последовательность появления резонансных форм колебаний диска постоянной толщины. Установлено, что формы колебаний не зависят от материала и размеров диска.

4. Полученные по результатам экспериментов частотные коэффициенты, графические зависимости резонансных частот от параметров s, n формы колебаний и их аппроксимирующая формула позволяют прогнозировать резонансные частоты последующих гармоник колебаний дисков разной толщины, разных диаметров и материалов. Экспериментально показано, что каждой форме колебаний диска соответствует конкретное значение частотного коэффициента, не зависящее от материала и размеров диска.

5. Предложенный экспериментально-расчетный метод, сочетающий голографическую интерферометрию, расчетные аналитические и численные методы с применением программного комплекса ANSYS , позволяет повысить точность и снизить трудоемкость определения резонансных частот, форм колебаний и перемещений для деталей типа дисков.

Практическая значимость:

1. Созданная голографическая установка позволяет определять резонансные частоты и формы колебаний различных объектов типа дисков, пластин, а также сборочных единиц.

2. Полученные по результатам экспериментов частотные коэффициенты, графические зависимости и их аппроксимирующая формула позволяют определять резонансные частоты дисков постоянной толщины и близких к ним деталей без проведения дополнительных экспериментальных исследований.

3. Отлаженная с учетом экспериментальных данных рабочая программа в комплексе ANSYS позволяет определять с требуемой точностью резонансные частоты, формы колебаний, перемещения и в дальнейшем - напряженно-деформированное состояние исследуемых объектов типа дисков.

Реализация результатов исследований:

1. По результатам исследований отработаны конструкции колес ротора и режимы работы диспергатора, что позволило улучшить физические свойства жидкотекучих сред. Новизна технических решений подтверждена двумя патентами на изобретения.

2. Результаты проведенной работы были использованы при исследовании динамики и прочности рабочих колес центробежных компрессоров для газоперекачивающих агрегатов и центробежных компрессоров мультипликаторного типа.

Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались на одной международной научно-технической конференции, г. Казань, 2001; четырех всероссийских конференциях в г. Казани (2001, 2005, 2006 г.г.); на Российской научно - практической конференции в г. Казани (2001 г.); двух научно-методических конференциях в г. Казани (2003, 2004 г.г.).

Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 5-ти статьях, 7-ми тезисах докладов. Получены два патента на изобретения.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5-ти глав, выводов, списка литературы, включающего 175 наименований. Она содержит 158 страниц, 55 рисунков, 27 таблиц, 2 приложения.



СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, кратко перечислены основные научные и практические результаты работы.

В первой главе дано обоснование выбора направления и объектов исследований. Приведен обзор литературных источников, посвященных теоретическим и экспериментальным исследованиям колебаний круглых пластин, дисков, рабочих колес.

Рассмотрены известные аналитические и численные методы расчета собственных частот и форм колебаний круглых пластин, дисков, колес.

Аналитические методы расчета освещены в работах С.П. Тимошенко, И.А. Биргера, И.М. Бабакова, Д.В. Вайнберга, В.С. Гонткевиача, Я.Г. Пановко, А.П. Филиппова, Р. Джайна, A. Лейсса и многих других.

Уравнение форм собственных поперечных колебаний однородной круглой пластины радиусом R в полярных координатах имеет вид:

, (1)

где r - текущий радиус, - прогиб (перемещение), с - плотность материала, h - толщина пластины, р - циклическая частота колебаний, D - изгибная жесткость пластины. После обозначения и использования оператора Лапласа выражение (1) записывается:

.

Решением этого уравнения является общий интеграл



Сsin пи [Jn (kr) + лJn (ikr)]. (2)

Геометрические нули этой функции представляют узловые линии на пластинке:

sin пи [Jn (kr) + лJn (ikr)] = 0. (3)

Из выражения (3) получаются системы узловых линий на пластинке в виде двух следующих уравнений: первое -

sin пи = 0,

корням которого и = 0, , (п = 1, 2, …) соответствуют узловые диаметры п; корни второго уравнения

Jn (kr) + лJn (ikr) = 0

определяют узловые концентрические окружности радиусами r1, r2,r3,… (рис.1) .

Рис. 1. Схема узловых линий колебания круглой пластины



В литературе приведены решения уравнения

(2), в основном, для пластины, закрепленной по контуру. Для однородного диска радиусом R, жестко закрепленного на валу радиусом b (b << R), по окружности заделки ,

выражение (2) принимает более сложный вид

Сsin пи [Jn(kr) + ANn(kr) + BJn(ikr) + CNn(ikr)]. (4)

По литературным источникам известны только 4 первых корня выражения (4).

Корни (kr) =выражения (4) позволяют рассчитать циклическую р и линейную н частоты колебаний как:

н = , (5)

где - частотный коэффициент.

К численным методам расчетов собственных частот и форм колебаний относятся метод конечных разностей, метод конечных элементов и метод граничных элементов. В настоящее время наиболее распространенным является метод конечных элементов, реализованный в программном комплексе ANSYS.

Расчетам собственных частот и форм колебаний деталей типа дисков с применением метода конечных элементов посвящены работы О. Зенкевича, С.Ю. Еременко, М.П. Нанасова, Ф.К. Закиева, Х. Хаземанна, М. Раутенберга и др.

К экспериментальным методам исследований колебаний и напряженно-деформированного состояния объектов относятся акустико-топографический, тензометрический, поляризационно-оптический, метод фотоупругих покрытий, хрупких тензочувствительных покрытий, акустический контроль напряженного состояния материала.

В настоящее время широко применяются оптические методы, основанные на использовании когерентного лазерного излучения. Наиболее точным и информативным методом является голографическая интерферометрия.

Методом голографической интерферометрии определялись резонансные частоты и формы колебаний объектов и их напряженно-деформированное состояние в работах Ч. Веста, Р.К. Эрфа, Ю.Н. Островского, В. Шумана, М. Дюба, А.Г. Козачка, Ю.Г. Коноплева, А.К. Шалабанова, В.П. Щепинова, В.В. Яковлева, М.П. Нанасова, Р.М. Галеева, Р.Х. Макаевой и других.

Обзор опубликованных работ показал следующее:

1. Исследование резонансных частот и форм колебаний деталей типа дисков, рабочих колес является актуальной проблемой, позволяющей определять НДС деталей и, соответственно, их работоспособность.

2. Точные аналитические методы расчета частот и форм колебаний дисков, закрепленных в центре, отсутствуют.

3. Решать подобные задачи позволяют численные методы, эффективность которых увеличивается с появлением новых программных комплексов. Однако для обеспечения точности расчетов необходимы экспериментальные опорные точки.

4. Наиболее точно определять резонансные частоты и формы колебаний дисков позволяет экспериментальный метод голографической интерферометрии.

5. Не определены достоинства и возможности сочетания экспериментального метода голографической интерферометрии с численным методом.

6. Требуются дальнейшие исследования методом голографической интерферометрии резонансных частот и форм колебаний классических дисков с целью уточнения последовательности появления форм колебаний, появления кратных форм, влияния размеров и материала дисков.

7. Отсутствуют данные по влиянию способа возбуждения колебаний дисков на появление форм колебаний.

Проведенный анализ состояния исследуемого вопроса позволил сформулировать цель и задачи работы.

Во второй главе приводится общая методика экспериментальных исследований вибрационных характеристик деталей типа дисков методом голографической интерферометрии. Рассматриваются факторы, влияющие на формирование интерференционной структуры при голографических исследованиях. Дано описание экспериментальной голографической установки, ее оптической схемы. Представлена усовершенствованная система контроля резонансных частот колебаний с применением компьютерных технологий. При измерениях частот колебаний использовались программы - анализаторы спектра.

Проведен анализ воспроизводимости результатов измерений частот резонансных колебаний. Относительная погрешность измерений частот не превышает 0,4% в различных частотных диапазонах.

В этой главе также приведены материалы и размеры исследованных дисков.

Третья глава посвящена экспериментальным и аналитическим исследованиям спектра резонансных частот и форм колебаний однородного диска постоянной толщины.

В процессе экспериментальных работ были исследованы диски различной толщины и диаметров, изготовленные из разных материалов. Зарегистрированы голографические интерферограммы более 200 форм колебаний дисков и резонансных частот.

Описан ход эксперимента, дано пояснение образования стоячих волн, обуславливающих формы Fsn при резонансных колебаниях диска, где s - число узловых окружностей, п - число узловых диаметров.

В процессе экспериментальных работ определена последовательность появления форм колебаний однородных дисков постоянной толщины. Представлены голографические интерферограммы форм колебаний диска D = 162 мм, h = 2 мм из стали 12Х18Н10Т в последовательности их появления.

Первой появляется форма колебаний F01 - с одним узловым диаметром, а не зонтичная F00, как отмечается в ряде работ. Форме F01 соответствует меньшая резонансная частота и деформация диска, чем форме F00. Далее появляются формы колебаний по мере усложнения деформаций: F02, F03, F04, то есть с двумя, тремя, четырьмя узловыми диаметрами. Исследователей прочности дисков интересуют обычно формы низкочастотных колебаний, характеризуемыми наибольшими деформациями и напряжениями. Наиболее опасными являются формы с узловыми диаметрами.

Шестой по счету является форма колебаний с одной узловой окружностью, то есть форма F10. Далее при s = 1 появляются один F11, два F12, три F13 узловых диаметра. Потом - две узловые окружности (s = 2) F20 и снова один F21 диаметр, далее появляется форма колебаний F14 , за ней - формы два F22, три F23 узловых диаметра. Форма колебаний F24 появляется после форм F30, F31.

Таким образом, в появлении форм колебаний наблюдается периодичность: при s = 2,3,4 формы колебаний следуют в последовательности: Fs 0 , Fs 1 , F (s - 1) 4 , Fs 2 , Fs 3 .

В табл. 1 полученные экспериментально формы колебаний систематизированы по мере возрастания количества узловых окружностей s и узловых диаметров п. Полная экспериментальная таблица форм колебаний диска постоянной толщины s - п: 5 Ч 5, по мнению автора диссертации, получена впервые. В таблице также приведены значения резонансных частот f и порядковый номер появления формы. Составление подобной таблицы не отражает последовательность появления форм колебаний, но позволяет прогнозировать невыявленные формы.

В ходе экспериментов было установлено, что формы колебаний однородного диска являются устойчивыми. На картину форм не влияют ни размеры диска, ни материал, из которого они изготовлены. Отличаются только резонансные частоты.

Однородные диски постоянной толщины представляют собой поворотно-симметричные системы. Одной из особенностей колебаний таких систем является наличие в резонансном спектре кратных форм. Такие формы могут образовываться при одинаковом количестве п узловых диаметров. Теоретические расчеты кратных форм дают одинаковые значения частот. Однако при колебаниях реальных объектов резонансные частоты кратных форм отличаются. К примеру, на рис. 2 представлены кратные формы колебаний диска из стали 45 диаметром D = 160 мм толщиной h = 2 мм, совершающего резонансные колебания по форме F21 - две узловые окружности и один узловой диаметр.

Рис. 2. Кратные формы F21 колебаний однородного диска



Для этого диска различие резонансных частот составило 100 Гц, угол взаимного поворота узловых диаметров - 900.

Различие частот определяется степенью и характером асимметрии пластины. Поэтому очевидно, что теоретический расчет резонансных частот кратных форм колебаний реальных объектов представляет трудно решаемую задачу, поскольку параметры асимметрии реальных объектов определить сложно. В рассмотренных примерах разница частот достигала 100 Гц. Угол взаимного поворота узловых диаметров составлял 450 и 900.

В процессе экспериментальных работ исследовалось влияние способов возбуждения колебаний круглой пластины на резонансные частоты и формы колебаний. Рассматривались три способа возбуждения: пьезоэлектрический вибратор подводился к полотну диска, перпендикулярно к оси его крепления и в направлении оси крепления диска. При различных способах возбуждения колебаний диска выявленные резонансные частоты имели небольшой разброс, не превышающий погрешность измерений частоты. Формы колебаний повторялись при различных способах возбуждения.

Следует отметить, что при первом способе возбуждения проявлялись преимущественно диаметральные формы колебаний. Сложно было получить зонтичную и низшие окружные формы колебаний. При третьем способе возбуждения колебаний пластины превалировали окружные формы колебаний, сложно было получить низшие диаметральные формы. Наиболее универсальным способом оказался второй. При таком способе возбуждения проявлялись и зонтичная, и диаметральные, и окружные формы колебаний.

Полученные экспериментально резонансные частоты дисков, а также их частотные коэффициенты , рассчитанные по формуле (5), представлены в виде таблиц. По результатам исследований колебаний дисков из разных материалов и разных размеров установлено, что значения частотных коэффициентов для конкретных форм колебаний не зависят от материала и размеров дисков. Определены средние значения частотных коэффициентов для различных форм колебаний Fsn (табл. 2).

Таблица 2

Fsn	F00	F01	F02	F03	F04	F10	F11	F12	F13
	3,72	1,79	5,41	9,71	17,53	20,15	22,55	33,36	46,43
F14	F20	F21	F22	F23	F24	F30	F31
64,59	54,46	62,46	80,78	102,02	127,88	110,27	122,57
F32	F33	F34	F40	F41	F42	F43	F44
137,77	170,53	209,01	178,64	194,20	215,28	252,49	296,54

Расхождение экспериментально полученных частотных коэффициентов для четырех форм колебаний с рассчитанными аналитически по данным литературы составило 1,3 - 10 %.

Для проверки по средним значениям были рассчитаны резонансные частоты для дополнительного диска. Расходимость расчетных и экспериментальных значений составила 1….8 %.

Таким образом, значения частотных коэффициентов с приемлемой погрешностью можно использовать при расчете резонансных частот дисков постоянной толщины разных размеров и из различных материалов.

По данным таблиц построены графические зависимости резонансных частот f от числа узловых диаметров п и узловых окружностей s (рис.3) для дисков из стали 45 диаметром D = 160 мм, толщиной h = 2 мм, 3 мм, 4 мм.



s2 - число узловых окружностей для диска h = 2 мм

s3 - число узловых окружностей для диска h = 3 мм

s4 - число узловых окружностей для диска h = 4 мм

Рис. 3. Зависимости резонансных частот f от чисел узловых диаметров n и узловых окружностей s для дисков

При одинаковых толщинах и диаметрах дисков, изготовленных из разных материалов, кривые f = f (п) при s = const практически сливаются Увеличение толщины h диска при одинаковом диаметре D при s > 0 и п = const приводит к увеличению резонансных частот.

Полученные графики f = f (п) при s = const были аппроксимированы функциями типа

f = ,

где f - искомая резонансная частота, а, b - постоянные коэффициенты, п - число узловых диаметров.

Для ряда примеров определены значения коэффициентов а, b.

По зависимостям f = f (п, s) можно прогнозировать резонансные частоты высших гармоник.

Построенные графические зависимости среднего значения частотного коэффициента = f (п, s) имеют аналогичный характер.

Четвертая глава посвящена определению собственных частот и форм колебаний диска постоянной толщины численным методом с применением программного комплекса ANSYS.

Математической основой вычислительного аппарата программы ANSYS является метод конечных элементов. Способ определения собственных частот и форм колебаний по этому методу предполагает решение матричного уравнения:

([К] - щ2[М])• {д0} = 0,

где [К] - матрица жесткости, [М] - матрица масс системы, {д0} - вектор узловых перемещений, щ - значения искомых циклических частот.

С целью обеспечения наименьшего расхождения численных и экспериментальных результатов были произведены сравнительные расчеты с использованием 5-ти различных трехмерных конечных элементов. В результате были выбраны элементы SOLID 95 и SOLID 186. Критерием выбора элементов являлось удовлетворительное совпадение расчетных значений частот и последовательности появления форм колебаний с полученными экспериментально. После исследования влияния размеров сетки математической модели окончательно для расчетов был выбран элемент SOLID 186.

В табл. 3 приведены собственные формы и частоты колебаний диска из стали 12Х18Н10Т, D = 162 мм, h = 2 мм, полученные расчетным способом, для сравнения с экспериментальными данными табл. 1. Порядковый номер появления формы указан в верхнем правом углу соответствующей ячейки.

Сравнение расчетных и экспериментальных результатов показало, что последовательности появления форм колебаний в пределах таблицы s х n : 5 х 5 совпали.

Таблица 3

sузл.окр.	п узловых диаметров
	0	1	2	3	4
0	F00 2	F01 1	F02 3	F03 4	F04 5
	f = 295 Гц	f = 201 Гц	f = 410 Гц	f = 664 Гц	f = 944 Гц
1	F10 6	F11 7	F12 8	F13 9	F14 12
	f = 1654 Гц	f = 1844 Гц	f = 2534 Гц	f = 3579 Гц	f = 5163 Гц
2	F20 10	F21 11	F22 13	F23 14	F24 17
	f = 4007 Гц	f = 4785 Гц	f = 6153 Гц	f = 7879 Гц	f = 9651 Гц
3	F30 15	F31 16	F32 18	F33 19	F34 22
	f = 8427 Гц	f = 9066 Гц	f = 10684Гц	f = 13138 Гц	f = 16449Гц
4	F40 20	F41 21	F42 23	F43 24	F44 25
	f = 13561 Гц	f = 14891 Гц	f = 17230 Гц	f = 19305 Гц	f = 21436 Гц

Наблюдалось расхождение в значениях собственных частот колебаний. В высокочастотном диапазоне (более 10 кГц) расхождение экспериментальных и расчетных значений собственных частот составляло не более 3%, в среднем диапазоне (2-10 кГц) - до 5%. В низком диапазоне (до 2 кГц) наблюдались 7 - 8 форм колебаний и для 2 - 3-х из них расхождение составляло от 20 до 37 %.

Численным методом определялись собственные частоты и кратные формы колебаний. В отличие от экспериментальных расчетные кратные формы имели одинаковые частоты.

По результатам проведенных исследований для определения резонансных частот и форм колебаний деталей типа дисков предложен следующий экспериментально-расчетный метод с применением голографической интерферометрии:

1. Для дисков постоянной толщины и деталей, близких к ним по конструкции, при расчете резонансной частоты колебаний по формуле (5) с достаточной точностью можно использовать частотные коэффициенты, установленные экспериментально (табл. 2).

2. При расчете собственных частот и форм колебаний дисков, рабочих колес методом конечных элементов с использованием программного комплекса ANSYS выбор типа конечного элемента и размеров сетки следует проводить с учетом экспериментально полученных резонансных частот в низком, среднем и высоком диапазонах рабочих частот, обеспечивая наименьшую расходимость расчетных и экспериментальных значений. В низком диапазоне в качестве экспериментальных опорных точек рекомендуется выбирать формы колебаний F00 и F02, обеспечивающие наибольшую точность

Программа расчета одновременно со значением резонансной частоты позволяет определить форму колебаний и перемещения участков диска при колебаниях.

При задании силовой нагрузки по составленной программе возможно провести расчет напряженно-деформированного состояния исследуемого объекта.

Пятая глава посвящена определению вибрационных характеристик дисков диспергаторов и рабочих колес центробежных компрессоров с целью совершенствования конструкции и улучшения эксплуатационных характеристик изделий.

Получено более 30 видов форм колебаний дисков диспергаторов. В исследованном диапазоне частот собственные формы колебаний определяются колебаниями самого полотна диска. Картины собственных форм имеют вид классических форм колебаний дисков постоянной толщины. Например, на рис. 4 приведена форма F04 (4 узловых диаметра) колебаний диска диспергатора.

Применяя частотные коэффициенты, полученные для дисков постоянной толщины в главе 3, были рассчитаны резонансные частоты диска диспергатора. Расхождение расчетных частот с измеренными экспериментально составило от 3 % до 16 %.

Результаты проведенных голографических исследований собственных форм колебаний и резонансных частот дисков диспергатора легли в основу конструкторской доработки дисков и позволили установить оптимальные режимы вращения с целью повышения качества диспергируемых жидкотекучих сред.

Рис. 4. Форма колебаний F04 диска ротора диспергатора на частоте f = 3291 Гц



Рис. 5. Форма колебаний F08 модернизированного диска ротора диспергатора на частоте f = 11123 Гц

Так, например, одним из вариантов конструктивной доработки диска диспергатора явилось уменьшение количества ступеней лопаток. Периферийная часть диска выполнялась плоской, без лопаток. Вследствие уменьшения жесткости и массы модернизированный диск излучает акустическую энергию значительно большей интенсивности и обеспечивает более тонкое диспергирование обрабатываемой среды. На рис. 5 представлена голографическая интерферограмма колебаний такого диска по форме F08 - 8 узловых диаметров, наглядно показывающая интенсивные колебания периферийной части диска без лопаток.

Результаты голографических исследований вибрационных характеристик легли в основу разработки диска с прорезями в полотне в местах узловых диаметров.

На способы применения установленных по результатам голографических исследований режимов колебаний дисков диспергатора получены патенты на изобретения.

Установленные режимы колебаний и усовершенствования конструкции дисков диспергаторов позволили улучшить качество обработанных битумов, спиртов и других жидкотекучих сред.

Методом голографической интерферометрии были проведены исследования вибрационных характеристик двух рабочих колес центробежных компрессоров. Экспериментально получены резонансные частоты и формы колебаний, послужившие основой для доводки расчетной программы.

Последующие расчеты методом конечных элементов с применением программного комплекса ANSYS, проведенные в ЗАО «НИИтурбокомпрессор» (лицензия № 24281/101217 ЗАО «НИИтурбокомпрессор им. В.Б. Шнеппа»), показали расходимость экспериментальных и расчетных результатов в пределах 3%.

Результаты исследований использованы при доводке конструкции рабочих колес.



ВЫВОДЫ

1. Создана установка для исследования резонансных частот и форм колебаний объектов методом голографической интерферометрии, позволяющая реализовать различные способы возбуждения колебаний, проводить компьютерную регистрацию и обработку результатов.

2. Исследованы резонансные частоты и формы колебаний дисков разной толщины, разных диаметров и материалов. Установлены последовательность появления форм колебаний, особенности возникновения кратных форм, влияние способов возбуждения колебаний, размеров и материалов дисков.

3. Методом голографической интерферометрии впервые получена полная s - п: 5 Ч 5 таблица резонансных форм колебаний диска постоянной толщины. Экспериментально получено, что формы колебаний не зависят от размеров и материала диска.

4. По результатам экспериментальных исследований колебаний дисков постоянной толщины рассчитаны частотные коэффициенты для различных форм колебаний, получены графические зависимости резонансных частот от параметров s, п формы колебаний и их аппроксимирующие формулы, позволяющие прогнозировать резонансные частоты последующих гармоник.

Экспериментально показано, что каждой резонансной форме колебаний диска соответствует конкретное значение частотного коэффициента, не зависящее от размеров и материала диска.

5. Проведены исследования собственных частот и форм колебаний дисков постоянной толщины методом конечных элементов с применением программного комплекса ANSYS. Рассчитаны собственные частоты, определены формы колебаний, последовательность их появления, перемещения участков дисков. Доводка программы расчета по результатам экспериментов позволила повысить точность расчетов.

6. Предложен и обоснован экспериментально-расчетный метод, сочетающий оптический метод голографической интерферометрии, расчетные аналитические и численные методы с применением программного комплекса ANSYS, позволяющий повысить точность и снизить трудоемкость определения резонансных частот, форм колебаний, перемещений, а так же, как следствие, определить напряженно-деформированное состояние объектов.

7. По результатам исследований отработана конструкция колеса ротора и режимы работы диспергатора, что позволило улучшить физические свойства жидкотекучих сред.

Экспериментально-расчетный метод был использован при исследовании динамики и прочности рабочих колес центробежных компрессоров для газоперекачивающих агрегатов и центробежных компрессоров мультипликаторного типа.



ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ

1. Макаева Р.Х., Царева А.М., Каримов А.Х. Анализ форм колебаний однородного диска методом голографической интерферометрии //Внутрикамерные процессы в энергетических установках, акустика, диагностика, экология: Тез. докл. XIII Всерос. Межвузовской науч.-техн. конф.. - Казань: КВАКИУ, 2001. С. 280 - 281.

2. Макаева Р.Х., Царева А.М., Гайнеев Ф.И., Каримов А.Х. Применение голографической интерферометрии при диагностике деталей и узлов изделий машиностроения //Состояние и перспективы развития вакуумной техники: Тез. докл.. 10-й Междунар. науч.-техн. конф. - Казань, 2001. С. 144 - 145.

3. Фомин М.В., Никишина Ю.Г., Царева А.М. Устройство для получения водо - битумных эмульсий, используемых в дорожном строительстве //Проблемы производства и применения дорожных битумов:. Труды Российской научно - практической конф. - Казань, 2001. С. 65 - 69.

4. Макаева Р.Х., Царева А.М. Диагностика разрушений элементов авиационных двигателей методом голографической интерферометрии //Актуальные проблемы авиационных и аэрокосмических систем: процессы, модели, эксперимент. Российско - американский научный журнал.ISBN 5-94541-018-7. № 2 (14) - 2002. - т. 7. - С. 73 - 83. Номер Каталога Библиотеки Конгресса США (LCCN) 97-647933.

5. Макаева Р.Х., Царева А.М. Голография как одно из направлений научно-исследовательской работы студентов // Совершенствование преподавания в высшей школе. Материалы научно-методической конференции. Казань: Изд-во Казан. гос. техн. ун-та - 2003. - С. 304-307.

6. Макаева Р.Х., Царева А.М. О факторах, влияющих на формирование интерференционной структуры при голографических исследованиях //Совершенствование преподавания в высшей школе. Материалы научно-методической конференции. Казань: Изд-во Казанского университета - 2004. - С. 323-324.

7. Царева А.М. Исследование колебаний однородных дисков методом голографической интерферометрии //Туполевские чтения: Материалы Международной. молодежной научной конференции. Казань: Изд-во Казан. гос. техн. ун-та, 2005. С.63-64.

8. Царева А.М., Баширов Р.Я., Макаева Р.Х. Применение компьютера в роли спектроанализатора и частотомера при голографических исследованиях вибраций. // Туполевские чтения. Материалы Международной. молодежной научной конференции. Казань: Изд-во Казан.гос.техн. ун-та, 2005. С.64-65.

9. Евгеньев С.С., Футин В.А., Каримов А.Х., Макаева Р.Х., Царева А.М. Определение резонансных частот вращения закрытых рабочих колес центробежных компрессоров //Рабочие процессы и технологии двигателей: Тез. докл. Междунар. научно-техн. конференции.Казань: Изд-во Казан. гос. техн. ун-та, 2005. С. 198-200.

10. Царева А.М., Макаева Р.Х., Каримов А.Х. Экспериментально-расчетный анализ вибрационных характеристик диска постоянной толщины.//Электромеханические и внутрикамерные процессы в энергетических установках, струйная акустика и диагностика, приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий. Материалы XVIII Всерос. межвузовской науч.-техн. конф.ч. I. Казань, 2006. С. 270 - 272.

11. Царева А.М. Применение экспериментально-расчетного метода для определения резонансных частот и форм колебаний диска постоянной толщины. // Информационные и социально экономические аспекты создания современных технологий. www: http://kampi.ru/sets, № 9, 2006 г., 7 листов.

12. Макаева Р.Х., Каримов А.Х., Царева А.М. Определение вибрационных характеристик деталей ГТД методом голографической интерферометрии // Изв. вузов. Авиационная техника. - 2007. - № 1. - С. 78-80.

13. Макаева Р.Х., Царева А.М., Каримов А.Х. Исследование резонансных частот и форм колебаний диска постоянной толщины с применением голографической интерферометрии //Вестник КГТУ им. А.Н. Туполева. - 2007. - № 1. - С. 32-34.

14. Патент 2221871 Российская Федерация, 7 С 12 Р 7/06. Способ изготовления этилового спирта / Фомин В.М., Аюпов Р.Ш., Царева А.М.. и др. - № 2001121218/13; заявл. 27.07.2001; опубл. 20.01.2004, Бюл. 2 - 36 с.: 21 ил.

15. Патент 2288777 Российская Федерация, 7 В 01 F 7/00. Акустический способ обработки жидкотекучих сред в роторно-пульсационном акустическом аппарате / Фомин В.М., Аюпов Р.Ш., Царева А.М.. и др. - № 2005117678/15; заявл. 07.06.2005; опубл. 10.12.2006, Бюл. 34 - 31 с.: 26 ил.

Размещено на Allbest.ru

...